फाल्ट करंट लिमिटर | तकनीक और ग्रिड स्थिरता प्रभाव

1 दोष धारा सीमितक (FCL) प्रौद्योगिकी का परिचय

परंपरागत निष्क्रिय दोष धारा सीमितन के तरीके-जैसे उच्च-प्रतिबाधा ट्रांसफार्मर, निश्चित रिएक्टर, या विभाजित बसबार कार्य-अंतर्निहित हानियों से ग्रस्त होते हैं, जिसमें ग्रिड संरचना में विघटन, स्थिर-अवस्था प्रणाली प्रतिबाधा में वृद्धि, और प्रणाली सुरक्षा और स्थिरता में कमी शामिल है। इन दृष्टिकोणों का आज के जटिल और बड़े पैमाने के विद्युत ग्रिडों के लिए उपयोग अधिकाधिक अनुपयुक्त हो रहा है।

इसके विपरीत, सक्रिय दोष धारा सीमितन प्रौद्योगिकियाँ, जैसे दोष धारा सीमितक (FCLs), सामान्य ग्रिड संचालन के दौरान कम प्रतिबाधा प्रदर्शित करती हैं। जब दोष होता है, तो FCL तेजी से उच्च-प्रतिबाधा अवस्था में बदल जाता है, जिससे दोष धारा को निम्न स्तर पर सीमित किया जा सकता है, इस प्रकार दोष धाराओं के गतिशील नियंत्रण की संभावना प्रदान करता है। FCLs ने श्रृंखला रिएक्टर-आधारित धारा सीमितन के पारंपरिक अवधारणा से विकसित होकर विद्युत इलेक्ट्रॉनिक्स, सुपरकंडक्टिविटी, और चुंबकीय सर्किट नियंत्रण जैसी उन्नत प्रौद्योगिकियों का समावेश किया है।

FCL का मौलिक सिद्धांत आकृति 1 में दिखाए गए मॉडल में सरलीकृत किया जा सकता है: सामान्य प्रणाली संचालन के दौरान, स्विच K बंद होता है, और FCL द्वारा कोई धारा-सीमित प्रतिबाधा पेश नहीं की जाती है। केवल जब दोष होता है, तो K तेजी से खुलता है, रिएक्टर को दोष धारा को सीमित करने के लिए डालता है।

अधिकांश FCLs इस मूल मॉडल या इसके विस्तारित विकल्पों पर आधारित हैं। विभिन्न FCLs के बीच प्राथमिक अंतर धारा-सीमित प्रतिबाधा की प्रकृति, स्विच K के लागू करने, और संबद्ध नियंत्रण रणनीतियों में होता है।

2 FCL की लागू करने की योजनाएँ और अनुप्रयोग की स्थिति

2.1 सुपरकंडक्टिव दोष धारा सीमितक (SFCLs)

SFCLs को यदि वे सुपरकंडक्टिव के सुपरकंडक्टिव से नॉर्मल अवस्था (S/N अन्तरण) का उपयोग करते हैं तो क्वेंच-प्रकार या नॉन-क्वेंच-प्रकार में वर्गीकृत किया जा सकता है। संरचनात्मक रूप से, वे रेझिस्टिव, ब्रिज-प्रकार, चुंबकीय छाड़े, ट्रांसफार्मर-प्रकार, या संतृप्त-कोर प्रकार में वर्गीकृत किए जाते हैं। क्वेंच-प्रकार SFCLs S/N अन्तरण (जब तापमान, चुंबकीय क्षेत्र, या धारा महत्वपूर्ण मानों से अधिक होता है) पर निर्भर करते हैं, जहाँ सुपरकंडक्टिव शून्य प्रतिरोध से उच्च प्रतिरोध में बदल जाता है, इस प्रकार दोष धारा को सीमित करता है।

नॉन-क्वेंच-प्रकार SFCLs सुपरकंडक्टिव कुंडलों को अन्य घटकों (जैसे, विद्युत इलेक्ट्रॉनिक्स या चुंबकीय तत्व) के साथ जोड़ते हैं और संचालन अवस्थाओं को नियंत्रित करके शॉर्ट-सर्किट धाराओं को सीमित करते हैं। SFCLs के व्यावहारिक अनुप्रयोग आम सुपरकंडक्टिव चुनौतियों का सामना करता है, जैसे लागत और ठंडाकरण की दक्षता। इसके अलावा, क्वेंच-प्रकार SFCLs का लंबा विकास समय, संभवत: प्रणाली के फिर से बंद होने के साथ टकराव कर सकता है, जबकि नॉन-क्वेंच-प्रकार SFCLs की प्रतिबाधा परिवर्तन रिले संरक्षण समन्वय को प्रभावित कर सकता है, जिसके लिए फिर से सेटिंग की आवश्यकता होती है।

2.2 चुंबकीय तत्व धारा सीमितक

ये फ्लक्स-रद्दी और चुंबकीय संतृप्ति स्विच प्रकार में विभाजित होते हैं। फ्लक्स-रद्दी प्रकार में, दो कुंडल विपरीत ध्रुविता के साथ एक ही कोर पर लपेटे जाते हैं। सामान्य स्थिति में, बराबर और विपरीत फ्लक्स एक दूसरे को रद्द करते हैं, जिससे कम लीकेज प्रतिबाधा होती है।

दोष के दौरान, एक कुंडल बायपास किया जाता है, जिससे फ्लक्स संतुलन टूट जाता है और उच्च प्रतिबाधा प्रस्तुत की जाती है। चुंबकीय संतृप्ति स्विच प्रकार सामान्य स्थिति में धारा-सीमित कुंडल को संतृप्ति (डीसी बायस, आदि द्वारा) में विस्थापित करके कार्य करता है, जिससे कम प्रतिबाधा होती है। दोष के दौरान, दोष धारा कोर को संतृप्ति से बाहर ले जाती है, उच्च प्रतिबाधा बनाती है और धारा सीमित करती है। जटिल नियंत्रण की आवश्यकता के कारण, चुंबकीय तत्व सीमितकों का अनुप्रयोग सीमित है।

2.3 PTC रेझिस्टर धारा सीमितक

पॉजिटिव तापमान गुणांक (PTC) रेझिस्टर गैर-रेखीय होते हैं; वे सामान्य स्थिति में कम प्रतिरोध और कम गर्मी प्रदर्शित करते हैं। शॉर्ट सर्किट के दौरान, उनका तापमान तेजी से बढ़ता है, जिससे मिलीसेकेंडों के भीतर प्रतिरोध 8-10 ऑर्डर तक बढ़ जाता है। PTC रेझिस्टरों पर आधारित FCLs का व्यापारिक उपयोग निम्न वोल्टेज अनुप्रयोगों में पाया जाता है।

हालांकि, दोष शामिल हैं: इंडक्टिव धारा सीमितन के दौरान उत्पन्न उच्च ओवरवोल्टेज (समान्तर ओवरवोल्टेज संरक्षण की आवश्यकता); कार्य के दौरान रेझिस्टर के विस्तार के कारण यांत्रिक तनाव; सीमित वोल्टेज/धारा रेटिंग (सैकड़ों वोल्ट, कुछ ऐंप), जो श्रृंखला-समान्तर कनेक्शनों की आवश्यकता बनाते हैं और उच्च वोल्टेज के उपयोग को सीमित करते हैं; और लंबा विकास समय (कई मिनट) और छोटी सेवा जीवन, जो बड़े पैमाने पर उपयोग को रोकता है।

2.4 सॉलिड-स्टेट धारा सीमितक (SSCLs)

SSCLs विद्युत इलेक्ट्रॉनिक्स पर आधारित नए प्रकार के शॉर्ट-सर्किट सीमितक हैं, जो आमतौर पर पारंपरिक रिएक्टर, विद्युत इलेक्ट्रॉनिक उपकरण, और नियंत्रकों से बने होते हैं। वे विभिन्न टोपोलॉजी, तेजी से प्रतिक्रिया, उच्च संचालन टोलरेंस, और सरल नियंत्रण प्रदान करते हैं। विद्युत इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों की स्थिति को नियंत्रित करके, SSCL की समतुल्य प्रतिबाधा को बदलकर दोष धारा को सीमित किया जा सकता है। एक नई FACTS उपकरण के रूप में, SSCLs बढ़ती ध्यान देने का विषय बन रहे हैं। हालांकि, दोष के दौरान, विद्युत इलेक्ट्रॉनिक उपकरणों को पूरी दोष धारा का भार लेना पड़ता है, जो उच्च उपकरण की प्रदर्शन और क्षमता की मांग करता है। अनेक SSCLs या अन्य FACTS नियंत्रण प्रणालियों के बीच समन्वय एक महत्वपूर्ण चुनौती बनी हुई है।

2.5 आर्थिक धारा सीमितक

ये परिपक्व प्रौद्योगिकी, उच्च विश्वसनीयता, कम लागत, और बाहरी नियंत्रण के बिना स्वचालित स्विचिंग प्रदान करते हैं। वे अधिकांशत: आर्क-धारा ट्रांसफर और श्रृंखला-रिझोनेंट प्रकार में विभाजित होते हैं। आर्क-धारा ट्रांसफर प्रकार में एक वैक्यूम स्विच और एक धारा-सीमित रेझिस्टर का समान्तर संयोजन होता है। सामान्य संचालन के दौरान, लोड धारा स्विच के माध्यम से प्रवाहित होती है। शॉर्ट सर्किट के दौरान, स्विच खुलता है, धारा को रेझिस्टर पर ट्रांसफर करने के लिए मजबूर करता है, जिससे धारा सीमित हो जाती है।

समस्याएँ शामिल हैं: वैक्यूम आर्क वोल्टेज और विचलन इंडक्टेंस के प्रभाव से ट्रांसफर धारा; ट्रांसफर समय स्विच की गति पर निर्भर; और कम आर्क वोल्टेज पर धारा ट्रांसफर की कठिनाई, जिसके लिए अतिरिक्त उपकरणों की आवश्यकता होती है आर्क वोल्टेज बढ़ाने और धारा शून्य-पार को बलपूर्वक करने के लिए। श्रृंखला-रिझोनेंट FCLs निर्वातित रिएक्टर या सर्ज आरेस्टर का उपयोग करते हैं। सामान्य स्थिति में, कैपेसिटर और इंडक्टर श्रृंखला रिझोनेंस में निम्न प्रतिबाधा के साथ होते हैं। दोष के दौरान, उच्च धारा रिएक्टर को संतृप्त करती है या आरेस्टर को सक्रिय करती है, जिससे रिझोनेंस असंगत हो जाता है और रिएक्टर को लाइन में डाल दिया जाता है धारा सीमित करने के लिए। विद्युत चुंबकीय निराकरण फास्ट स्विच भी तेजी से कैपेसिटर को बायपास कर सकते हैं।

2.6 FCL अभियांत्रिक अनुप्रयोगों की वर्तमान स्थिति

व्यावहारिक मूल्य के लिए, FCLs न केवल दोष के दौरान तेजी से प्रतिबाधा डालना चाहिए, बल्कि स्वचालित रीसेट, अनुक्रमिक लगातार संचालन, कम हार्मोनिक उत्पादन, और स्वीकार्य निवेश और संचालन लागत के लिए भी विशेषताएँ रखनी चाहिए। वर्तमान में, तकनीकी चुनौतियों और लागत-प्रभावशीलता की सीमाओं के कारण, दुनिया भर में विभिन्न प्रयोगात्मक प्रोटोटाइपों के विकास के बावजूद, वास्तविक ग्रिड अनुप्रयोग बहुत कम हैं, जो अधिकांशत: निम्न वोल्टेज, कम क्षमता के पायलट परियोजनाओं पर सीमित हैं।

यह क्षेत्र विदेश में शुरुआती था, जहाँ सॉलिड-स्टेट और सुपरकंडक्टिव FCL की व्यापारिक विकास में उल्लेखनीय प्रगति हुई। 1993 में, 4.6 kV फीडर पर 6.6 MW सॉलिड-स्टेट ब्रेकर, जो एंटी-पैरेलल GTOs का उपयोग करता था, न्यू जर्सी, USA में आर्मी पावर सेंटर पर स्थापित किया गया, जो 300 μs के भीतर दोष को साफ़ करने में सक्षम था। 1995 में, EPRI और Westinghouse द्वारा विकसित 13.8 kV/675 A सॉलिड-स्टेट FCL, PSE&G सबस्टेशन पर आयोजित किया गया। सुपरकंडक्टिव FCLs के लिए, 1998 में ACEC-Transport और GEC-Alsthom द्वारा विकसित एक हाइब्रिड AC/DC FCL व्यापारिक विकास में पहुँचा। 1999 में, General Atomics और अन्य द्वारा विकसित 15 kV/1200 A SFCL, Southern California Edison (SCE) सबस्टेशन पर तैनात किया गया।

देशीय FCL शोध बाद में शुरू हुआ लेकिन तेजी से प्रगति की। 2007 में, चीन का 35 kV सुपरकंडक्टिव संतृप्त-कोर FCL, जिसे तियानजिन इलेक्ट्रोमेकेनिकल होल्डिंग्स और बीजिंग YunDian YingNa सुपरकंडक्टिव केबल कंपनी लिमिटेड द्वारा विकसित किया गया, युननान के पुजी सबस्टेशन पर ग्रिड-संयोजित परीक्षण संचालन के लिए तैनात किया गया-तब विश्व का सबसे ऊंचा वोल्टेज, सबसे ऊंची क्षमता का सुपरकंडक्टिव सीमितक परीक्षण संचालन में था। श्रृंखला-रिझोनेंट FCLs के लिए, चीन का पहला 500 kV उपकरण, चाइना इलेक्ट्रिक पावर रिसर्च इंस्टीट्यूट, झोंगडियन पुरी, और ईस्ट चाइना ग्रिड द्वारा विकसित, 2009 के अंत में 500 kV बिंगयाओ स्टेशन पर तैनात किया गया, जिसने शॉर्ट-सर्किट धारा को 47 kA से कम किया।

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